CN110456210B - 1553b网络总线故障点检测方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种1553B网络总线故障点检测方法、装置及系统，接收待检测1553B总线的已知总线故障类型；根据已知总线故障类型在待检测1553B总线上切换检测线型；根据实际电阻值计算得到待检测1553B总线的故障点与检测点之间的相对位置；本发明通过将MIL‑STD‑1553B总线网络的故障统一为直流电阻的变化，通过电流恒定且已知的恒流源，使其流过MIL‑STD‑1553B总线网络的总线，同时精确检测其和被测MIL‑STD‑1553B总线网络的总线相连后的端口电压，结合预置的相关数学模型，从而快速定位被测MIL‑STD‑1553B网络总线终端总线开路、总线短路、总线与屏蔽层短路等常见总线故障及定位故障点，还可通过显示屏将故障部位直观的显示。
Description
【技术领域】
本发明属于MIL-STD-1553B通讯网络分支技术领域，尤其涉及一种1553B网络总线故障点检测方法、装置及系统。
【背景技术】
MIL-STD-1553B总线网络，因其保密性强、可靠性高，在航天、航海领域获得了广泛应用。
MIL-STD-1553B总线网络在日常维护中常见的故障分为子线故障和总线故障，具体子线故障一般有如下几种：
a)子线开路；
b)子线短路；
c)子线高端与屏蔽层短接；
d)子线低端与屏蔽层短接；
e)子线高/低端错接；
f)子线端口间插入损耗增大。
具体总线故障一般有如下几种：
a)总线开路；
b)总线短路；
c)总线高端与屏蔽层短接；
d)总线低端与屏蔽层短接；
e)终端电阻变异(变大或变小)。
依据专利号为ZL.2018.2.0852790.X、发明名称为《一种1553B总线网络测试系统》的中国专利所公布的技术，可以检测到上述故障，并且对于MIL-STD-1553B总线网络的子线故障点也可直接定位。但对于总线开路、总线短路、总线高端与屏蔽层短接、总线低端与屏蔽层短接等故障，由于总线敷设在机架内，很难对故障点进行定位，需要把总线全部拆开进行逐段排查，极大影响了MIL-STD-1553B总线网络日常维护和故障排除的效率。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种1553B网络总线故障点检测方法、装置及系统，在不需要拆开总线的条件下即可定位总线故障的故障点。
本发明采用以下技术方案：1553B网络总线故障点检测方法，包括：
接收待检测1553B总线的已知总线故障类型；其中，已知总线故障类型包括总线短路、总线开路以及总线与屏蔽线短接；
根据已知总线故障类型在待检测1553B总线上切换检测线型；其中，检测线型包括总线之间检测以及总线与屏蔽层之间检测；
获取检测线型的实际电阻值；
根据实际电阻值计算得到待检测1553B总线的故障点与检测点之间的相对位置。
进一步地，选取检测点方法为：
当故障类型为总线短路时，选取待检测1553B总线一端的总线高端和总线低端进行检测；
当故障类型为总线开路时，选取待检测1553B总线一端的总线高端和总线低端进行检测；
当故障类型为总线与屏蔽线短接时，选取待检测1553B总线一端的总线高端/总线低端和其对应的屏蔽层进行检测。
进一步地，根据实际电阻值计算得到待检测1553B总线的故障点与检测点之间的相对位置具体方法为：
当故障类型为总线短路时，通过计算得到故障点与检测点的距离值；其中，L为故障点与检测点的距离值，Zo为电阻值，λ1为1553B总线的电阻率；
当故障类型为总线开路时，通过计算得到故障点与检测点之间的子线节点数；其中，N为故障点与检测点之间的子线节点数，R为隔离电阻值，r为耦合变压器线圈电阻值；
当故障类型为总线与屏蔽线短接时，通过计算得到故障点与检测点之间的距离值；其中，λ2为屏蔽层的电阻率。
本发明另一方面公开了：1553B网络总线故障点检测装置，包括：
接收模块，用于接收待检测1553B总线的已知总线故障类型；其中，已知总线故障类型包括总线短路、总线开路以及总线与屏蔽线短接；
切换模块，用于根据已知总线故障类型在待检测1553B总线上切换检测线型；其中，检测线型包括总线之间检测以及总线与屏蔽层之间检测；
获取模块，用于获取检测线型之间的实际电阻值；
计算模块，用于根据实际电阻值计算得到待检测1553B总线的故障点与检测点之间的相对位置。
本发明另一方面公开了：1553B网络总线故障点检测系统，包括处理器，处理器的信号输入端通过可控增益A/D变换器、前置放大器连接有恒流源电路，恒流源电路与待检测1553B总线连接。
进一步地，恒流源电路包括恒流源、负载切换电路和四线检测电路；
恒流源包括恒流源芯片U1及其外围电路；
恒流源芯片U1的第三引脚分别连接+5V、电容C1的一端和电容C2的一端；电容C1的另一端接地；电容C2的另一端串联电阻R4后分别连接恒流源芯片U1的第二引脚和电阻R2的一端，电阻R2的另一端串联电阻R3后分别连接电阻R1的一端和电阻R5的一端，电阻R1的另一端连接恒流源芯片U1的第一引脚，电阻R5的另一端连接负载切换电路；
负载切换电路包括第一继电器JK1和第二继电器JK2；
第一继电器JK1的第一引脚连接+5V和二极管D3的负极；
第一继电器JK1的第二引脚和地七引脚均连接至四线检测电路；
第一继电器JK1的第三引脚连接至待检测1553B总线；
第一继电器JK1的第四引脚和第五引脚均连接至待检测1553B总线的屏蔽层；
第一继电器JK1的第六引脚接地；
第一继电器JK1的第八引脚分别连接二极管D3的正极和三极管Q2的集电极；三极管Q2的发射极分别接地和连接电阻R8的一端，三极管Q2的基极分别连接电阻R8的另一端和电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接至处理器的第二控制信号端；
第二继电器JK2的第一引脚连接+5V和二极管D2的负极；
第二继电器JK2的第二引脚和地七引脚均连接至四线检测电路；
第二继电器JK2的第三引脚连接至待检测1553B总线；
第二继电器JK2的第四引脚和第五引脚均分别连接至待检测1553B总线的屏蔽层和第一连接接口的接地线；
第二继电器JK2的第六引脚接电阻R5的另一端；
第二继电器JK2的第八引脚分别连接二极管D2的正极和三极管Q1的集电极；三极管Q1的发射极分别接地和连接电阻R9的一端，三极管Q1的基极分别连接电阻R9的另一端和电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接至处理器的第一控制信号端；
四线检测电路包括用于与前置放大器连接的第一连接接口，第一连接接口的正电压端分别连接第二继电器JK2的第二引脚和地七引脚，负电压端分别连接第一继电器JK1的第二引脚和地七引脚，接地端连接待检测1553B总线的屏蔽层以及第二继电器JK2的第四引脚和第五引脚。
进一步地，前置放大器包括AD623芯片及其外围电路；
AD623芯片的第二引脚串联电阻R10后接第一连接接口的负电压端；
AD623芯片的第三引脚串联电阻R11后接第一连接接口的正电压端；
AD623芯片的第六引脚为模拟信号输出正端，连接可控增益A/D变换器的模拟信号输入正端；
AD623芯片的第五引脚为模拟信号输出负端，连接可控增益A/D变换器的模拟信号输入负端；
可控增益A/D变换器由芯片U3及其外围电路组成；
芯片U3的第四引脚为通讯接口的数据脚，连接至处理器的数据输入脚；
芯片U3的第三引脚为通讯接口的时钟脚，连接至处理器的时钟脚；
芯片U3的第一引脚为模拟信号输入正端，连接至前置放大器的输出正端；
芯片U3的第六引脚为模拟信号输入负端，连接至前置放大器的输出负端。
进一步地，处理器由STM32F103CBT6芯片及其外围电路组成；
STM32F103CBT6芯片的第三十二引脚为切换检测线型的控制引脚，接控制按键KE1，用于分别在总线短路、总线开路以及总线Hi与屏蔽线短接和总线Lo与屏蔽线短接之间切换；
STM32F103CBT6芯片的第二十一引脚接可控增益A/D变换器芯片U3的第三引脚；
STM32F103CBT6芯片的第二十二引脚接可控增益A/D变换器芯片U3的第四引脚；
STM32F103CBT6芯片的通过第三连接接口JZ3将计算结果信息发送至外部设备；
STM32F103CBT6芯片的通过第二连接接口JZ2将计算结果显示到外部显示设备上。
本发明的有益效果是：本发明通过将MIL-STD-1553B总线网络的故障统一为直流电阻的变化，通过电流恒定且已知的恒流源，使其流过MIL-STD-1553B总线网络的总线，同时精确检测其和被测MIL-STD-1553B总线网络的总线相连后的端口电压，结合预置的相关数学模型，从而快速定位被测MIL-STD-1553B网络总线终端总线开路、总线短路、总线与屏蔽层短路等常见总线故障的故障点，还可通过显示屏将故障部位直观的显示。
【附图说明】
图1为本发明实施例中MIL-STD-1553B网络总线故障点检测系统原理框图；
图2为现有技术中MIL-STD-1553B总线网络的物理拓扑结构；
图3为本发明实施例MIL-STD-1553B网络总线故障点检测系统的恒流源电路原理图；
图4为本发明实施例MIL-STD-1553B网络总线故障点检测系统中的前置放大器原理图；
图5为本发明实施例MIL-STD-1553B网络总线故障点检测系统的可控增益A/D变换器原理图；
图6为本发明实施例MIL-STD-1553B网络总线故障点检测系统的单片机电路原理图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明实施例公开了一种1553B网络总线故障点检测方法，包括：
首先，接收待检测1553B总线的已知总线故障类型；其中，已知总线故障类型包括总线短路、总线开路以及总线与屏蔽线短接。
对于MIL-STD-1553B总线网络的子线故障点，采用专利号为ZL.2018.2.0852790.X、发明名称为《一种1553B总线网络测试系统》的中国专利所公布的技术，就可直接定位故障点，但对于总线故障点，只可判断故障类型，而无法定位故障点。
根据已知总线故障类型在待检测1553B总线上切换检测线型；其中，检测线型包括总线之间检测以及总线与屏蔽层之间检测。
然后，获取检测线型的实际时电阻值。
最后，根据实际时电阻值计算得到待检测1553B总线的故障点与检测点之间的相对位置。
本发明实施例通过将MIL-STD-1553B总线网络的故障统一为直流电阻的变化，通过电流恒定且已知的恒流源，使其流过MIL-STD-1553B总线网络的总线，同时精确检测其和被测MIL-STD-1553B总线网络的总线相连后的端口电阻，结合预置的相关数学模型，从而快速定位被测MIL-STD-1553B网络总线终端总线开路、总线短路、总线与屏蔽层短路等常见总线故障的故障点。
本发明是在利用采用专利号为ZL.2018.2.0852790.X、发明名称为《一种1553B总线网络测试系统》的中国专利所公布的技术，检测到总线网络已存在总线开路、总线短路、总线高端与屏蔽层短接、总线低端与屏蔽层短接等故障基础上，利用在总线网络端口检测总线网络直流电阻的变化，对这些变化进行智能分析，从而确定故障点位置。本发明以简洁的拓扑、较低的成本，达到快速对总线开路、总线短路、总线高端与屏蔽层短接、总线低端与屏蔽层短接等故障定位的效果，提高MIL-STD-1553B总线网络日常维护和故障排除的效率。
在本发明实施例中，针对不同类型的总线故障，对应涉及有不同的切换检测故障类型(即切换与总线的连接线型)方法。MIL-STD-1553B总线网络的物理拓扑结构，依据《GJB289A-97 1553b数字式时分制指令-响应型多路传输数据总线》的规定，可以等效为图2所示电路，则该切换检测故障类型的具体方法为：
当故障类型为总线短路时，选取待检测1553B总线一端的总线高端和总线低端进行检测；
当故障类型为总线开路时，选取待检测1553B总线一端的总线高端和总线低端进行检测；
当故障类型为总线与屏蔽线短接时，选取待检测1553B总线一端的总线高端/总线低端和其对应的屏蔽层进行检测。
另外，本发明实施例根据不同的总线故障类型，还设计了不同的计算方法，根据所测量的实际电阻值不同，判定故障点与检测点之间的具体相对位置。
当故障类型为总线短路时，其故障模型是从总线一端测量，为信号线的电阻率和长度的乘积。其数学表达式为Zo＝λ1×L，式中，λ1为1553B总线的电阻率，L为故障点与检测点的距离值，Zo为电阻值，
查1553B总线网络总线的电阻率为λ1＝0.08Ω/m，考虑到电流流过的是两倍信号线的长度，因此，在已确定故障类型为总线短路，在总线端口测量短路电阻，就可依据下式，计算出短路故障点在距测量点起的距离。
则有：即通过/>计算得到故障点与检测点的距离值。
当故障类型为总线开路时，其故障模型是从总线一端测量，为多个两倍隔离电阻串联次级线圈电阻后的并联值，其数学表达式为N为故障点与检测点之间的子线节点数，R为隔离电阻值，r为耦合变压器线圈电阻值。
依据《GJB 289A-97 1553b数字式时分制指令-响应型多路传输数据总线》的规定R＝56Ω，r＜5Ω(根据实测结果，取r＝1Ω)。
因此，在已确定故障类型为总线开路，在总线端口测量开路电阻，就可依据下式，计算出开路故障点在距测量点起的第N个子线节点处。
即在总线端口测量电阻值，通过计算得到故障点与检测点之间的子线节点数。
当故障类型为总线与屏蔽线短接时，无论是总线高端与屏蔽层短接还是总线低端与屏蔽层短接，其故障模型均是从总线一端信号线与屏蔽层间测量，为总线的电阻率和长度的乘积+屏蔽层电阻率和长度的乘积，其数学表达式为Zo＝(λ1×L)+(λ2×L)＝L(λ1+λ2)，λ2为屏蔽层的电阻率。
查1553B总线网络信号线的电阻率为λ1＝0.08Ω/m，1553B总线网络屏蔽层的电阻率为λ2＝0.03Ω/m，因此，在已确定故障类型为总线信号线与屏蔽层短路，在总线端口测量信号线与屏蔽层的短路电阻，就可依据下式，计算出短路故障点在距测量点起的距离；
即通过计算得到故障点与检测点之间的距离值。
本发明另一实施例公开了一种1553B网络总线故障点检测装置，包括：
接收模块，用于接收待检测1553B总线的已知总线故障类型；其中，已知总线故障类型包括总线短路、总线开路以及总线与屏蔽线短接。
切换模块，用于根据已知总线故障类型在待检测1553B总线上切换检测线型；其中，检测线型包括总线之间检测以及总线与屏蔽层之间检测。
获取模块，用于获取检测线型之间的实际电阻值。
计算模块，用于根据实际电阻值计算得到待检测1553B总线的故障点与检测点之间的相对位置。
本发明实施例还公开了一种存储介质，存储介质包括存储的程序，其中，程序运行时控制存储介质所在设备执行上述的1553B网络总线故障点检测方法。
本发明实施例还公开了一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时，执行上述的1553B网络总线故障点检测方法。
本发明实施例还公开了一种1553B网络总线故障点检测系统，如图1所示，包括上述的处理器，处理器的信号输入端通过可控增益A/D变换器、前置放大器连接有恒流源电路，恒流源电路与待检测1553B总线连接。通过该系统，可以实现对1553B总线电阻的测量、转换、增益调节以及计算等，进而得到更加精确的电阻值，并且计算得到故障点的具体位置。
本发明实施例中恒流源电路包括恒流源、负载切换电路和四线检测电路。
恒流源包括恒流源芯片U1及其外围电路。
恒流源芯片U1的第三引脚分别连接+5V、电容C1的一端和电容C2的一端；电容C1的另一端接地；电容C2的另一端串联电阻R4后分别连接恒流源芯片U1的第二引脚和电阻R2的一端，电阻R2的另一端串联电阻R3后分别连接电阻R1的一端和电阻R5的一端，电阻R1的另一端连接恒流源芯片U1的第一引脚，电阻R5的另一端连接负载切换电路。
恒流源电路采用恒流源器件构成，本实施例中，如图3所示，恒流源电路由LinearTechnology公司的线性恒流电源芯片及其外围电路构成。
U1是典型的恒流源芯片，为了抑制电源线上的噪声，在其输入端第三引脚与地(AGND)之间并联有退偶电容C1，R1、R2、R3是恒流设定电阻，其和设定恒流电流的关系为在本实施例中，Isource＝5mA。
C2、R4组成一个串联RC网络，该网络连接在电流源的两个端子上，用于充分抑制恒流源电路可能出现的不稳定。R5串联在恒流输出与检测电路之间，用于检测电路校零时保持恒流源的稳定。
负载切换电路包括第一继电器JK1和第二继电器JK2；
第一继电器JK1的第一引脚连接+5V和二极管D3的负极；
第一继电器JK1的第二引脚和地七引脚均连接至四线检测电路；
第一继电器JK1的第三引脚连接至待检测1553B总线；
第一继电器JK1的第四引脚和第五引脚均连接至待检测1553B总线的屏蔽层；
第一继电器JK1的第六引脚接地；
第一继电器JK1的第八引脚分别连接二极管D3的正极和三极管Q2的集电极；三极管Q2的发射极分别接地和连接电阻R8的一端，三极管Q2的基极分别连接电阻R8的另一端和电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接至处理器的第二控制信号端，电阻R8的另一端接地。
第二继电器JK2的第一引脚连接+5V和二极管D2的负极；
第二继电器JK2的第二引脚和第七引脚均连接至四线检测电路；
第二继电器JK2的第三引脚连接至待检测1553B总线；
第二继电器JK2的第四引脚和第五引脚均分别连接至待检测1553B总线的屏蔽层和第一连接接口的接地线；
第二继电器JK2的第六引脚接电阻R5的另一端；
第二继电器JK2的第八引脚分别连接二极管D2的正极和三极管Q1的集电极；三极管Q1的发射极分别接地和连接电阻R9的一端，三极管Q1的基极分别连接电阻R9的另一端和电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接至处理器的第一控制信号端，电阻R9的另一端接地。
负载切换电路由继电器JK1、JK2组成，继电器的开关由三极管Q1、Q2驱动，R6、R7是Q1、Q2的限流电阻，R8、R9是Q1、Q2的防误动作电阻，D2、D3是继电器线包浪涌电压吸收二极管。
恒流输出经R5连接到继电器JK1的第六引脚，地线连接到继电器JK2的第六引脚。
当处理器执行总线信号线检测时，Ctrl1、Ctrl2均为低电平，JK1、JK2均不吸合，恒流电流经JK1:7(即JK1的第七引脚)流入信号线，经JK2:7返回地线。信号线上的电压降经JK1:2脚传递到JK1:3脚；经JK2:2脚传递到JK2:3脚，JK1、JK2是检测到的电压信号。在电流已知的前提下，运用欧姆定律，就可测试出信号线上的电阻。经过后部电路的处理，可在LCD液晶屏上显示出信号线开路点在第N个子线节点之后或信号线距检测点L米处的子线节点有短路。
当处理器执行总线信号线与屏蔽短路检测时，如果测试总线低端(Lo)与屏蔽短路，则Ctrl1为低电平、Ctrl2为高电平，JK1不吸合、JK2吸合，恒流电流经JK1:7流入信号线高端，经屏蔽线到JK2:5返回地线。信号线上的电压降经JK1:2脚传递到JK1:3脚(JK1)；经JK2:4脚传递到JK2:3脚。
如果测试总线高端(Hi)与屏蔽短路，则Ctrl为高电平、Ctr2为低电平，JK1吸合、JK2不吸合，恒流电流经JK1:5流入屏蔽线，经屏蔽线到JK2:7返回地线。信号线上的电压降经JK1:4脚传递到JK1:3脚(JK1)；经JK2:2脚传递到JK2:3脚。JK1、JK2是检测到的电压信号。在电流已知的前提下，运用欧姆定律，就可测试出信号线上的电阻。经过后部电路的处理，在LCD液晶屏上显示出信号线与屏蔽层在距检测点L米处的子线节点有短路。
为了更精确的测量，当开机时，处理器发出指令，Ctrl1、Ctrl2均为高电平，等效为JK1、JK2间短路，此时，可控增益A/D变换器测得的电压即为漂移电压，将此电压作为零点电压，在后继的测试中给予补偿，可有效提高测试精度。
四线检测电路包括用于与前置放大器连接的第一连接接口，第一连接接口的正电压端分别连接第二继电器JK2的第二引脚和地七引脚，负电压端分别连接第一继电器JK1的第二引脚和地七引脚，接地端连接待检测1553B总线的屏蔽层以及第二继电器JK2的第四引脚和第五引脚。
电流流过导线就会产生电压降，从而导致测量误差，为了消除这些误差，本实施例采用四线测试法：即测试电流从out1、out3流过，而测试线为out2、out4，由于out2、out4没有测试电流流过，因此，out1、out3流过电流产生的电压降不会影响测试结果，这就保证了测试结果仅为被测MIL-STD-1553B总线网络上的线压降，暨MIL-STD-1553B总线网络上的电阻值。
如图4所示，在本发明实施例中前置放大器包括AD623芯片及其外围电路；
AD623芯片的第二引脚串联电阻R10后接第一连接接口的负电压端；
AD623芯片的第三引脚串联电阻R11后接第一连接接口的正电压端；
AD623芯片的第六引脚为模拟信号输出正端，连接可控增益A/D变换器的模拟信号输入正端；
AD623芯片的第五引脚为模拟信号输出负端，连接可控增益A/D变换器的模拟信号输入负端。
依据上述分析，当信号线在开路时阻值最大，当信号线在第一节之后开路，其电阻为113Ω，取最大电阻为120Ω；当信号线在短路时阻值最小，当信号线在第一节子线端开路，其电阻接近0Ω，考虑到允许±0.5m误差，将其最小可分辨电阻定位10mΩ。
前置放大电路，其目的就是将被测的MIL-STD-1553B总线网络上的电压值，放大到后继A/D变换器能最大范围识别出这种电压的变换，再将其转换成电阻值信号，经过运算，最终确定故障点。
由于要实现对微小电阻的测量，所以要求放大器的分辨率高、线性度好、输入阻抗高、并要求漂移低、抑制噪声和抗干扰能力强。
按设计要求，当测试电阻最大为120Ω时，测试电流为5mA时，其在被测电阻上形成的电压为Vx＝I×Rx＝5×10-3×120＝0.6V。
如果A/D转换器的最大输入电压为2.048V，则将其设定为最大输入电压Vmax＝2V，据此计算基本放大增益为
AD623是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10，000。AD623具有高精度(最大非线性度40ppm)、低失调电压(最大50μV)和低失调漂移(最大0.6μV/℃)特性，是微小信号等精密数据采集系统前置放大器的理想之选。
AD623的放大倍数由下式决定已知G＝3.333，故：
考虑到本实施例的目标是测试1553B总线的电阻，应尽可能提高测试精度。
为此，将RG一分为二，取R12＝20.5K，R13＝22.6KΩ。
所有仪表放大器都会对带外小信号进行整流。这种干扰可能会表现为较小的直流电压失调。为此，在前置放大器输入端设计低通R-C网络以滤除高频信号。低通滤波器根据以下关系式对输入信号加以限制 式中，CD影响差动信号，Cc影响共模信号，R x、Cc的任何不匹配均会降低AD623的CMRR(共模抑制比)性能。为了避免无意中降低CMRR-带宽性能，需确保Cc比CD至少小一个数量级。CD:Cc比值越大，不匹配Cc的影响越小。
考虑到1553B多应用在航空系统中，其中频电源最有可能对本测试电路产生干扰，故将其截止频率设定为400Hz，按此要求，设定输入电阻R10＝R11＝3.9KΩ，计算出相应地C4＝0.047uF，C3＝C5＝1000pF。
可控增益A/D变换器由芯片U3及其外围电路组成；
芯片U3的第四引脚为通讯接口的数据脚，连接至处理器的数据输入脚；
芯片U3的第三引脚为通讯接口的时钟脚，连接至处理器的时钟脚；
芯片U3的第一引脚为模拟信号输入正端，连接至前置放大器的输出正端；芯片U3的第六引脚为模拟信号输入负端，连接至前置放大器的输出负端。
可控增益A/D变换器完成将模拟信号转换为数字信号，供处理器进行分析、处理的功能。可控增益A/D变换器选用MCP3425及其外围电路构成。如图5所示，C8、C9为退偶电容，并联在U3的VDD与VSS之间；R14、R15为通讯接口的上拉电阻，其中，R14一端接+5V电源，另一端接U3:4脚；R15一端接+5V电源，另一端接U3:3脚；U3:4脚为通讯接口的数据脚，和处理器的数据脚相连，U3:3脚为通讯接口的时钟脚，和处理器的时钟脚相连；U3:3是模拟信号输入+端，和前置放大器的AD_IN+相连，U3:6是模拟信号输入-端，和前置放大器的AD_IN-相连。
U3:MCP3425是一个采用SOT-23-6封装的单通道低噪声高精度的ΔΣA/D转换器，其输入端采用差分输入，分辨率高达16位。芯片内含精度为2.048V参考电压，使输入范围达±2.048V差分(电压＝4.096v)。该器件采用双线I2C兼容串行接口,，电源供电范围为2.7V到5.5V。MCP3425器件可以每秒15、60或240个(SPS)的速率执行转换,，具体取决于使用双线I2C串行接口的可控制的配置位设置。该器件具有板载可编程增益放大器(PGA)。可以在模拟到数字转换之前选择×1、×2、×4或×8的PGA增益。这使得MCP3425器件能够转换高分辨率的较小输入信号。
当MCP3425器件输入为2.048V时，考虑到16位中有一位是作为符号位，则其最小分辨率为
当测量电阻最小值为10mΩ时，其在MCP3425器件输入端的电压为Vin＝Ix×Rx×20＝1×10-3×10×10-3×20＝200×10-6V＝200uV。
显然，这么小的量值，其量化误差已不可忽略。MCP3425器件前端具有板载可编程增益放大器(PGA)，可以在模拟到数字转换之前选择×1、×2、×4或×8的PGA增益。如果在测试微小电阻时，选择8倍增益，则输入到A/D转换器的最小电压为Vin＝200uV×8＝1600uV，这就可以大大减小量化误差对测量精度的影响。
本发明实施例中，如图6所示，处理器由STM32F103CBT6芯片及其外围电路组成；
STM32F103CBT6芯片的第三十二引脚为切换检测线型的控制引脚，接控制按键KE1，用于分别在总线短路、总线开路以及总线Hi与屏蔽线短接和总线Lo与屏蔽线短接之间切换；
STM32F103CBT6芯片的第二十一引脚接可控增益A/D变换器芯片U3的第三引脚；
STM32F103CBT6芯片的第二十二引脚接可控增益A/D变换器芯片U3的第四引脚；
STM32F103CBT6芯片的通过第三连接接口JZ3将计算结果信息发送至外部设备；JZ3即为STM32F103CBT6芯片的串行通讯接口。
STM32F103CBT6芯片的通过第二连接接口JZ2将计算结果显示到外部显示设备上。
处理器需要执行的任务为：
1.上电后，通过I2C总线，对U3初始化，将U3设置为16位A/D转换，增益倍数设置为8。
2.读取U3的数据，当U3溢出时，将增益倍数缩小一半，直至U3不溢出为止；或当U3数据不足本档位满量程的10％时，将增益倍数放大一倍，直至U3输出数据合适为止。
3.当增益为1时，如果U3仍溢出，则在LCD屏上显示故障信息，必要时，通过RS232通讯接口，给上位机传出故障信号。
4.当增益为8时，如果U3数据仍不足本档位满量程的10％时，则在LCD屏上显示故障信息，必要时，通过RS232通讯接口，给上位机传出故障信号。
5.当单片机正确读到U3数据时，计算对应的被测电阻值。
6.KEY_C为测试功能选择键，每按一次转换一次功能，分别在信号线短路、信号线开路、信号线Hi与屏蔽短路、信号线Lo与屏蔽短路之间转换。
7.单片机依据状态键的设定，计算故障点的位置，并在LCD上显示。
8.如果上位机有要求，通过RS232通讯接口，将测试数据上传给上位机。
本实施例中，处理器选用中ST公司的中等容量增强型，32位基于ARM核心的带64或128K字节闪存的微控制器、具有7个定时器、2个ADC、9个可以实现USB、CAN等通讯的通信接口的STM32F103CBT6芯片。
STM32F103xx增强型系列拥有内置的ARM核心，因此，它与所有的ARM工具和软件兼容。ARM的CortexTM-M3处理器是最新一代的嵌入式ARM处理器，它为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的引脚数目、降低的系统功耗，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应。ARM的CortexTM-M3是32位的RISC处理器，提供额外的代码效率，在通常8和16位系统的存储空间上发挥了ARM内核的高性能。由于本设计对单片机的运行速度没有过高要求，其任务工作量也不大，该款单片机可以满足设计要求。
JTAG_M1是固件加载接口，单片机通过SDA、SCA和U3通讯，通过JZ3与上位机实现串口通讯，通过JZ2将测试结果显示到LCD屏上。C10、C11、C12、C13是U4的退偶电容，分别并联在U4的VBAT、VDD-1、VDD-2、VDD-3与VSS脚之间。
为了提高系统稳定性，采用外部有源晶振Y1，Y1:4与Y1:2是有源晶振的电源脚，在其上加有退偶电容C16，Y1:3是有源晶振的输出脚，连接到U4:5脚，为单片机提供8MHz的时钟信号。JTAG_M1、R16、R17、R18、R19、R20、R32及C15构成固件加载接口，便于向单片机写入固件。U4:32用于读取按键信息，以便对测试信息进行不同的处理。
当确认总线故障为信号线开路时，Ctr1、Ctr2为低电平，测试信号线开路电阻。
当确认总线故障为信号线短路时，Ctr1、Ctr2为低电平，测试信号线短路电阻。
当确认总线故障为信号线Hi与屏蔽短路时，Ctr1为高电平、Ctr2为低电平，测试信号线Hi与屏蔽的短路电阻。
当已确认总线故障为信号线Lo与屏蔽短路时，Ctr1为低电平、Ctr2为高电平，测试信号线Hi与屏蔽的短路电阻。
U4:21、U4:22用于I2C通讯，用于和U3进行通讯，设置U3的增益，读取U3的测试结果。U3的设备代码是1101、其地址码为000，其对寄存器的配置应在固件编程时参考AD620数据手册进行。
当处理器读到U3的转换数据Vi时，首先依据下式计算输入端的电压Vx，式中，Av为前置放大器的放大倍数，已设定为3.333。β为U3内可编程放大器的放大倍数，由处理器设定。当计算出Vx后，即可依据下式计算被测电阻/>
如果是测试信号线开路故障点，则故障点在显示屏上显示，【请检查距检测点第N个子线端口的总线开路故障】。
如果是测试信号线短路故障点，则故障点在显示屏上显示，【请检查距检测点L米左右子线端口的总线短路故障】。
如果是测试信号线与屏蔽短路，则故障点在显示屏上显示，【请检查距检测点L米左右子线端口的总线与屏蔽短路故障】。
本实施例中还可连接通讯接口，U4:STM32F103CBT6通过U4:30
USART1_TX、U4:31USART1_RX与上位机实现串口通讯，为提高通讯可靠性，本实施例采用U5:MAX3232CSE芯片作为串口通讯的驱动芯片，其中，C19、C20、C21、C22、C23为按芯片厂家提供资料配置的电容，U5:7DEBUG_RX、U5:8DEBUG_TX通过接口JZ3与上位机进行通讯。
Claims (7)
1.1553B网络总线故障点检测方法，其特征在于，包括：
接收待检测1553B总线的已知总线故障类型；其中，所述已知总线故障类型包括总线短路、总线开路以及总线与屏蔽线短接；
根据所述已知总线故障类型在所述待检测1553B总线上切换检测线型；其中，所述检测线型包括总线之间检测以及总线与屏蔽层之间检测；
获取所述检测线型的实际电阻值；
根据所述实际电阻值计算得到所述待检测1553B总线的故障点与检测点之间的相对位置；
所述根据所述实际电阻值计算得到所述待检测1553B总线的故障点与检测点之间的相对位置具体方法为：
当所述故障类型为总线短路时，通过计算得到所述故障点与所述检测点的距离值；其中，L为所述故障点与所述检测点的距离值，Zo为所述实际电阻值，λ1为1553B总线的电阻率；
当所述故障类型为总线开路时，通过计算得到所述故障点与所述检测点之间的子线节点数；其中，N为所述故障点与所述检测点之间的子线节点数，R为隔离电阻值，r为耦合变压器线圈电阻值；
当所述故障类型为总线与屏蔽线短接时，通过计算得到所述故障点与所述检测点之间的距离值；其中，λ2为屏蔽层的电阻率。
2.如权利要求1所述的1553B网络总线故障点检测方法，其特征在于，选取检测点方法为：
当所述故障类型为总线短路时，选取所述待检测1553B总线一端的总线高端和总线低端进行检测；
当所述故障类型为总线开路时，选取所述待检测1553B总线一端的总线高端和总线低端进行检测；
当所述故障类型为总线与屏蔽线短接时，选取所述待检测1553B总线一端的总线高端/总线低端和其对应的屏蔽层进行检测。
3.1553B网络总线故障点检测装置，其特征在于，包括：
接收模块，用于接收待检测1553B总线的已知总线故障类型；其中，所述已知总线故障类型包括总线短路、总线开路以及总线与屏蔽线短接；
切换模块，用于根据所述已知总线故障类型在所述待检测1553B总线上切换检测线型；其中，所述检测线型包括总线之间检测以及总线与屏蔽层之间检测；
获取模块，用于获取所述检测线型之间的实际电阻值；
计算模块，用于根据所述实际电阻值计算得到所述待检测1553B总线的故障点与检测点之间的相对位置；
所述根据所述实际电阻值计算得到所述待检测1553B总线的故障点与检测点之间的相对位置具体方法为：
当所述故障类型为总线短路时，通过计算得到所述故障点与所述检测点的距离值；其中，L为所述故障点与所述检测点的距离值，Zo为所述实际电阻值，λ1为1553B总线的电阻率；
当所述故障类型为总线开路时，通过计算得到所述故障点与所述检测点之间的子线节点数；其中，N为所述故障点与所述检测点之间的子线节点数，R为隔离电阻值，r为耦合变压器线圈电阻值；
当所述故障类型为总线与屏蔽线短接时，通过计算得到所述故障点与所述检测点之间的距离值；其中，λ2为屏蔽层的电阻率。
4.1553B网络总线故障点检测系统，其特征在于，包括处理器，所述处理器用于实现权利要求1或2所述的方法，所述处理器的信号输入端通过可控增益A/D变换器、前置放大器连接有恒流源电路，所述恒流源电路与待检测1553B总线连接。
5.如权利要求4所述的1553B网络总线故障点检测系统，其特征在于，所述恒流源电路包括恒流源、负载切换电路和四线检测电路；
所述恒流源包括恒流源芯片U1及其外围电路；
所述恒流源芯片U1的第三引脚分别连接+5V、电容C1的一端和电容C2的一端；所述电容C1的另一端接地；所述电容C2的另一端串联电阻R4后分别连接所述恒流源芯片U1的第二引脚和电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端串联电阻R3后分别连接电阻R1的一端和电阻R5的一端，所述电阻R1的另一端连接所述恒流源芯片U1的第一引脚，所述电阻R5的另一端连接所述负载切换电路；
所述负载切换电路包括第一继电器JK1和第二继电器JK2；
所述第一继电器JK1的第一引脚连接+5V和二极管D3的负极；
所述第一继电器JK1的第二引脚和地七引脚均连接至所述四线检测电路；
所述第一继电器JK1的第三引脚连接至待检测1553B总线；
所述第一继电器JK1的第四引脚和第五引脚均连接至所述待检测1553B总线的屏蔽层；
所述第一继电器JK1的第六引脚接地；
所述第一继电器JK1的第八引脚分别连接二极管D3的正极和三极管Q2的集电极；所述三极管Q2的发射极接地，所述三极管Q2的基极分别连接电阻R8的一端和电阻R6的一端，所述电阻R6的另一端连接至所述处理器的第二控制信号端；
所述第二继电器JK2的第一引脚连接+5V和二极管D2的负极；
所述第二继电器JK2的第二引脚和地七引脚均连接至所述四线检测电路；
所述第二继电器JK2的第三引脚连接至待检测1553B总线；
所述第二继电器JK2的第四引脚和第五引脚均分别连接至所述待检测1553B总线的屏蔽层和第一连接接口的接地线；
所述第二继电器JK2的第六引脚接电阻R5的另一端；
所述第二继电器JK2的第八引脚分别连接二极管D2的正极和三极管Q1的集电极；所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的基极连接电阻R7的一端，所述电阻R7的另一端连接至所述处理器的第一控制信号端；
所述四线检测电路包括用于与前置放大器连接的第一连接接口，所述第一连接接口的正电压端分别连接第二继电器JK2的第二引脚和第七引脚，负电压端分别连接第一继电器JK1的第二引脚和第七引脚，接地端连接所述待检测1553B总线的屏蔽层以及第二继电器JK2的第四引脚和第五引脚。
6.如权利要求5所述的1553B网络总线故障点检测系统，其特征在于，所述前置放大器包括AD623芯片及其外围电路；
所述AD623芯片的第二引脚串联电阻R10后接所述第一连接接口的负电压端；
所述AD623芯片的第三引脚串联电阻R11后接所述第一连接接口的正电压端；
所述AD623芯片的第六引脚为模拟信号输出正端，连接所述可控增益A/D变换器的模拟信号输入正端；
所述AD623芯片的第五引脚为模拟信号输出负端，连接所述可控增益A/D变换器的模拟信号输入负端；
所述可控增益A/D变换器由芯片U3及其外围电路组成；
所述芯片U3的第四引脚为通讯接口的数据脚，连接至所述处理器的数据输入脚；
所述芯片U3的第三引脚为通讯接口的时钟脚，连接至所述处理器的时钟脚；
所述芯片U3的第一引脚为模拟信号输入正端，连接至所述前置放大器的输出正端；
所述芯片U3的第六引脚为模拟信号输入负端，连接至所述前置放大器的输出负端。
7.如权利要求6所述的1553B网络总线故障点检测系统，其特征在于，所述处理器由STM32F103CBT6芯片及其外围电路组成；
所述STM32F103CBT6芯片的第三十二引脚为切换检测线型的控制引脚，接控制按键KE1，用于分别在总线短路、总线开路以及总线Hi与屏蔽线短接和总线Lo与屏蔽线短接之间切换；
所述STM32F103CBT6芯片的第二十一引脚接所述可控增益A/D变换器芯片U3的第三引脚；
所述STM32F103CBT6芯片的第二十二引脚接所述可控增益A/D变换器芯片U3的第四引脚；
所述STM32F103CBT6芯片的通过第三连接接口JZ3将计算结果信息发送至外部设备；所述STM32F103CBT6芯片的通过第二连接接口JZ2将计算结果显示到外部显示设备上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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